材料科学系崔晓莉教授和光科系王松有教授合作在碱金属二次电池材料研究方面取得重要进展
发布时间:2020-03-12        浏览次数:389

复旦大学材料科学系崔晓莉和光科学与工程系王松有合作在高比容量碱金属二次电池材料的研究取得重要进展。相关研究成果以“Nitrogen Doped γ‐Graphyne: A Novel Anode for High‐Capacity Rechargeable Alkali‐Ion Batteries”为题发表在国际学术出版社Wiley旗下期刊Small2020161907365,其官方媒体Materials views China对该研究成果进行报道(https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43155/)。复旦大学材料科学系2017级博士研究生杨超凡和光科系2016级博士研究生乔崇为共同第一作者。

高效储能器件(如锂离子、钠离子二次电池)的研发被认为是提高能源利用率、改善环境问题的有效途径之一。碳材料因其优异的化学稳定性、导电性能及电化学储锂能力,成为目前二次电池的主流负极材料,而商业化石墨负极的储锂容量(372 mAh g-1)无法满足高比能设备的需求。γ-石墨单炔(γ-graphyne)是一类由spsp2杂化碳原子组成的新型二维纳米碳材料,其分子结构由苯环和炔基交替连接组成。分子结构中存在大量的π-π共轭电子,赋予了该材料良好的分子平面间共轭结构和化学稳定性,且相对于石墨(0.34 nm)具有更宽的碳层间距(0.36~0.38 nm),确保了Li+/Na+的快速迁移;同时,γ-石墨单炔分子结构中独特的大型三角共轭结构为其提供额外的储锂(钠)活性位点。常规的有机合成方法难以制备γ-石墨单炔,限制了γ-石墨单炔的应用研究。

崔晓莉课题组基于机械化学合成方法,以碳化钙和卤代苯为前驱体首次成功制备了γ-石墨单炔(Carbon 2018, 136, 248-254),并将其应用于能源存储与转换领域(Journal of Materials Chemistry A 2018, 6, 20947-20955; Small 2019, 15, 1804710; Journal of Materials Chemistry A 2019, 7, 5981-5990)前期研究表明,γ-石墨单炔具有良好的储锂性能(1104 mAh g-1Small 2019, 15, 1804710)。本工作以NH4HCO3为氮源,采用分段升温策略制备了氮掺杂γ-石墨单炔。通过分析材料的形貌演变过程,揭示其独特二维平面结构的形成机制,并拓宽其在碱金属钠离子二次电池中的应用。电化学测试表明,氮掺杂γ-石墨单炔表现出良好的储锂1037 mAh g-1和储钠容量(570 mAh g-1)以及高倍率性能,为新型高比能储能材料的研制提供了新思路。

王松有课题组基于实验结果,通过第一性原理方法研究了氮Li+/Na+离子在γ-石墨单炔中的最优吸附/扩散路径,计算表明氮取代炔键处的碳原子形成的亚胺型结构表现出最优的离子吸附能力。使用爬坡弹性带方法计算Li+/Na+离子不同扩散路径的势垒,发现氮掺杂γ-石墨单炔中的共轭环结构具有明显的吸附Li+/Na+优势,且共轭环结构为Li+/Na+在垂直分子平面方向上提高了最佳的迁移通道。该理论计算结果有助于理解氮掺杂γ-石墨单炔材料的本征结构和Li+/Na+二次电池的储能机理,为材料设计提供了理论基础。

本工作获得上海航天科学创新基金、上海市科委和复旦大学原创科研个性化支持项目的资助。论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.201907365